几张动态图清晰展示常用数据结构及其设计原理

大道方圆武哥聊编程

点击关注上方“程序员私房菜”，设为“星标”或“置顶公众号”，第一时间送达实用技术干货。

最近在整理数据结构方面的知识，系统化看了下Java中常用数据结构，突发奇想用动画来绘制数据流转过程。

主要基于jdk8，可能会有些特性与jdk7之前不相同，例如LinkedList LinkedHashMap中的双向列表不再是回环的。HashMap中的单链表是尾插，而不是头插入等等，后文不再赘叙这些差异，本文目录结构如下：

1. LinkedList

LinkedList经典的双链表结构，适用于乱序插入，删除。指定序列操作则性能不如ArrayList，这也是其数据结构决定的。

add(E) / addLast(E)

add(index, E)

这边有个小的优化，他会先判断index是靠近队头还是队尾，来确定从哪个方向遍历链入。

if (index < (size >> 1)) {
     Node<E> x = first;
     for (int i = 0; i < index; i++)
         x = x.next;
     return x;
} else {
     Node<E> x = last;
     for (int i = size - 1; i > index; i--)
         x = x.prev;
     return x;
}

靠队尾

get(index)

也是会先判断index，不过性能依然不好，这也是为什么不推荐用for(int i = 0; i < lengh; i++)的方式遍历linkedlist，而是使用iterator的方式遍历。

remove(E)

2. ArrayList

ArrayList底层就是一个数组，因此按序查找快，乱序插入，删除因为涉及到后面元素移位所以性能慢。

add(index, E)

扩容

一般默认容量是10，扩容后，会length*1.5。

remove(E)

循环遍历数组，判断E是否equals当前元素，删除性能不如LinkedList。

3. Stack

Stack是经典的数据结构，底层也是数组，继承自Vector，先进后出FILO，默认new Stack()容量为10，超出自动扩容。

push(E)

pop()

4. 后缀表达式

Stack的一个典型应用就是计算表达式如 9 + (3 - 1) * 3 + 10 / 2，计算机将中缀表达式转为后缀表达式，再对后缀表达式进行计算。

中缀转后缀

数字直接输出
栈为空时，遇到运算符，直接入栈
遇到左括号, 将其入栈
遇到右括号, 执行出栈操作，并将出栈的元素输出，直到弹出栈的是左括号，左括号不输出。
遇到运算符(加减乘除)：弹出所有优先级大于或者等于该运算符的栈顶元素，然后将该运算符入栈
最终将栈中的元素依次出栈，输出。

计算后缀表达

遇到数字时，将数字压入堆栈
遇到运算符时，弹出栈顶的两个数，用运算符对它们做相应的计算, 并将结果入栈
重复上述过程直到表达式最右端
运算得出的值即为表达式的结果

5. 队列

与Stack的区别在于：Stack的删除与添加都在队尾进行，而Queue删除在队头，添加在队尾。

ArrayBlockingQueue

生产消费者中常用的阻塞有界队列，FIFO。

put(E)

put(E) 队列满了

final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
     while (count == items.length)
          notFull.await();
     enqueue(e);
} finally {
     lock.unlock();
}

take()

当元素被取出后，并没有对数组后面的元素位移，而是更新takeIndex来指向下一个元素。

takeIndex是一个环形的增长，当移动到队列尾部时，会指向0，再次循环。

1     private E dequeue() {
 2         // assert lock.getHoldCount() == 1;
 3         // assert items[takeIndex] != null;
 4         final Object[] items = this.items;
 5         @SuppressWarnings("unchecked")
 6         E x = (E) items[takeIndex];
 7         items[takeIndex] = null;
 8         if (++takeIndex == items.length)
 9             takeIndex = 0;
10         count--;
11         if (itrs != null)
12             itrs.elementDequeued();
13         notFull.signal();
14         return x;
15     }

6. HashMap

最常用的哈希表，面试的童鞋必备知识了，内部通过数组 + 单链表的方式实现。dk8中引入了红黑树对长度 > 8的链表进行优化，我们另外篇幅再讲。

put(K, V)

put(K, V) 相同hash值

resize 动态扩容

当map中元素超出设定的阈值后，会进行resize (length * 2)操作，扩容过程中对元素一通操作，并放置到新的位置。

具体操作如下：

在jdk7中对所有元素直接rehash, 并放到新的位置.
在jdk8中判断元素原hash值新增的bit位是0还是1, 0则索引不变, 1则索引变成"原索引 + oldTable.length".

1     //定义两条链
 2     //原来的hash值新增的bit为0的链，头部和尾部
 3     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
 4     //原来的hash值新增的bit为1的链，头部和尾部
 5     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
 6     Node<K,V> next;
 7     //循环遍历出链条链
 8     do {
 9         next = e.next;
10         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
11             if (loTail == null)
12                 loHead = e;
13             else
14                 loTail.next = e;
15             loTail = e;
16         }
17         else {
18             if (hiTail == null)
19                 hiHead = e;
20             else
21                 hiTail.next = e;
22             hiTail = e;
23         }
24     } while ((e = next) != null);
25     //扩容前后位置不变的链
26     if (loTail != null) {
27         loTail.next = null;
28         newTab[j] = loHead;
29     }
30     //扩容后位置加上原数组长度的链
31     if (hiTail != null) {
32         hiTail.next = null;
33         newTab[j + oldCap] = hiHead;
34     }